Результаты теоретического и экспериментального определения магнитных полей в перенастраиваемой магнетронной распылительной системе

Дьяконов Алексей Геннадьевич; Лебедев Валерий Александрович

УДК 620.9

РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ В ПЕРЕНАСТРАИВАЕМОЙ МАГНЕТРОННОЙ РАСПЫЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЕ

Уфимский государственный авиационный технический университет, 450000, Респ. Башкортостан, г. Уфа, ул. Карла Маркса, 12.

Рассмотрено распределение составляющих магнитного поля в зазоре перенастраиваемых магнетронных распылительных систем (ПНМРС). Приведены теоретические кривые, построенные с использованием уравнений Максвелла, а также экспериментальные кривые, определенные на практической модели ПНМРС. Полученные зависимости индукции от координат и частоты колебаний позволяют определить оптимальные параметры и характеристики работы ПНМРС, что дает возможность более эффективно получать различные функциональные покрытия на подложках сложной геометрии. Ил. 5. Библиогр. 4 назв.

Ключевые слова: магнетронные распылительные системы; магнитные поля; подложки сложной геометрии; термо- и износостойкие покрытия.

RESULTS OF THEORETICAL AND EXPERIMENTAL DETERMINATION OF MAGNETIC FIELDS IN RETUNED MAGNETRON SPUTTERING SYSTEMS A.G. Dyakonov, V.A. Lebedev

Ufa State Aircraft Technical University,

12 K. Marx St., Ufa, 450000, Republic of Bashkortostan.

The article deals with the distribution of magnetic field components in the gap of retuned magnetron sputtering systems (RMSS). It presents theoretical curves constructed with the help of Maxwell's equations as well as experimental curves determined by means of a practical RMSS model. Obtained dependencies of induction on coordinates and oscillation frequency enable the determination of optimal parameters and characteristics of RMSS performance. The last will make the production of various functional coatings on complex geometry substrates more efficient. 5 figures. 4 sources.

Key words: magnetron sputtering systems; magnetic fields; complex geometry substrates; heat and wear resistant coatings.

Постановка задачи. Применяемая в настоящее время во многих отраслях промышленности ионная обработка поверхности и, в частности, одна из ее разновидностей - магнетронное напыление материалов - имеет как свои преимущества, так и существенные недостатки [1]. С одной стороны, оно позволяет получать разнообразные пленки металлов и неметаллов на поверхностях различных изделий (подложках), придающие этим изделиям необходимые и самые разнообразные свойства и характеристики. С другой стороны, применение этой технологии достаточно дорого, что требует, в свою очередь, снижения затрат при ее использовании. Одним из путей снижения издержек производства является расширение функциональных возможностей этой технологии, что может быть достигнуто применением перенастраиваемых магнетронных распылительных систем (ПНМРС).

Состояние проблемы. Согласно [2], были получены теоретические выражения для составляющих магнитного поля ПНМРС в зависимости от частоты колебаний катода-мишени совместно с держателем, начального значения индукции, создаваемого магнитной системой ПНМРС в неподвижном (статическом) состоянии, и параметров самой ПНМРС.

Для иллюстрации дальнейших заключений воспользуемся рис. 1 из [2; 3] и уравнением из [2], которое запишется:

1Дьяконов Алексей Геннадьевич, старший преподаватель кафедры электромеханики, тел.: 89625210839, е-mail: [email protected]

Dyakonov Aleksei, Senior Lecturer of the Department of Electrical Engineering, tel.: +79625210839, e-mail: [email protected]

2Лебедев Валерий Александрович, доцент кафедры экономической информатики, е-mail: [email protected]

Lebedev Valery, Associate Professor of the Department of Economic Informatics, tel.: +79273068725, е-mail: [email protected]

d

(1)

где В2з - составляющая магнитного поля по оси г (параллельная поверхности катода-мишени) в рабочей зоне

МРС (рис. 1); Bo - начальное значение индукции, создаваемое магнитной системой МРС

; а = я/т, т -

полюсное деление мрс; р-с + тцр, а - циклическая частота колебаний держателя 1 катода-мишени 3; Мо - абсолютная магнитная проницаемость вакуума; Р - электрическая проводимость материала

держателя 1 катода-мишени 3; d - параметр, зависящий от свойств системы; 8 - воздушный зазор между магнитной системой 2 и держателем 1; Ь - толщина держателя 1; X , Z - текущие координаты; t - время.

x

3

с=0

a=ai

b

а=0

2

У

Рис. 1. Конструкция катодного узла цилиндрической МРС

В магнетронной распылительной системе (МРС) на скорость процесса распыления влияет составляющая магнитного поля над катодом-мишенью, параллельная его поверхности - Bz3 ; в зависимости от цели анализа в уравнении (1) аргументами могут являться t, б, Z или X . Остальные постоянные параметры уравнения (1) также могут меняться в зависимости от конструкции ПНМРС. Типичное значение индукции, входящее в (1): Bo = 0,15 Тл; полюсное деление Т = 0,05 м; S = 2х10-3 м; Ь = 3х10-3 м.

Определим р = а + Ï6ju0a . Так как С = 0, то

о 2 Я

Р = а =—. т

(2)

б

определяется:

V

а- 2п / - 2п— т

где V - линейная скорость перемещения держателя 1 по оси г. Перепишем в другой форме уравнение (1):

(3)

B 3 =

4BqŒ ^a{S+b-x+ab) -ах

e

d

4 B0 a3 a(S-x+b(a+l))

d

e

cos ((Qt + az ) + cos ((Qt - az ) cos ((t + az) + cos ((t - az)

(4)

Уравнение (4) является исходным для построения кривых при помощи пакета Matlab R2012a. Учитывая ве-

3 3

личину зазора 8 = 2х10- м и толщину держателя 1 Ь = 3х10- м при построении кривых, задаемся значениями х > 8 + Ь = 5 мм.

Результаты теоретического определения магнитного поля. На рис. 2 изображена зависимость Bz = f (2)

при изменении частоты колебаний держателя 1 совместно с катодом-мишенью 3 при х = 0,009 м. Следует учитывать, что при распылении диэлектрика (реактивное распыление) или ферромагнитного материала проводимость катода-мишени ак « 0 и количество слоев в расчетной схеме рис. 1 не меняется. При распылении же проводящих материалов ак = а (медный катод-мишень), или отличается в большинстве случаев не более, чем на 20 %. Тогда в выражение (4) необходимо подставить Ь, равное сумме толщин медного держателя 1 и катода-мишени 3. Зазор между последними 8з должен определяться:

& < ож

(5)

где 8 - зазор на рис. 1. При этом количество слоев расчетной схемы рис. 1 также не меняется и уравнение (4) является корректным.

И Figure 1

S

Fife EcJrt View Insert lools Desktop Window Help

Daa&l

0.16

О 14

0.12

0.1

- 0.08

0.06

0.04

0.02

i=5 Гц

f=6 Гц:

f=8 Гц AiИ Гц

1=9 Гц к// -------- -------- А--—

----ш {=10 Гц/

-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025

z, M.

Рис. 2. Зависимость Bz = f (г) при изменении частоты колебаний держателя 1 на высоте 2 мм от мишени

Таким образом, на рис. 2 показано распределение составляющей В2 в межполюсном пространстве ПНМРС (по координате 2) на высоте 4 мм от держателя или, учитывая толщину мишени (обычно 2 мм), на высоте 2 мм от мишени.

На рис. 3 изображена зависимость В2 = f (2) при изменении частоты колебаний держателя 1 совместно с катодом-мишенью при х = 0,017 м. То есть рис. 3 показывает распределение составляющей В2 в межполюсном пространстве ПНМРС (по координате 2) на высоте 12 мм от держателя или, учитывая толщину мишени, на высоте 10 мм от последней. Данное значение высоты является типичным для определения и задания значения магнитной индукции МРС [4].

Анализ характеристик распределения магнитного поля, построенных на основе теоретических дан-

ных. При увеличении частоты колебаний катода-мишени с 5 до 10 Гц максимальное значение

B

уменьшается

на 0,07 Тл, или же на 48,3 %. Фиксируя В2 = 0,06 Тл, можно заключить, что при f = 10 Гц приемлемая скорость

будет достигаться в координатах: -0,01...0,01 м, или же в пределах 40,0 % межполюсного расстояния, а при f = 5 Гц - в координатах: -0,019.0,019 м, или же в пределах 76,0 % межполюсного расстояния (рис. 2). Однако, при f =

10 Гц, относительное уменьшение В2 в этих координатах составляет всего лишь 18,9 %, а при f = 5 Гц - 58,6 %.

При f = 10 Гц, поле становится более однородным, скорость увеличения и уменьшения В2 по координате 2

уменьшается, коэффициент использования материала катода-мишени увеличивается, прожигание мишени наступает позже, чем при f = 5 Гц.

Etirt View Insert Tools Desktop Windo

Help

Qödä

Ч Ф8« Л - S ÜB

0.1 о.оэ 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01

Г=5;Гц

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Г=бГц /

1=1 Гц| /У /

f=8 Гц i/X X

-------- f=9 Гц/ \Л V\VV

^10 Гц/

"ff/// / / S ' '

? \ \ \ : N

-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025

z. м.

Рис. 3. Зависимость Bz = f (¿) при изменении частоты колебаний держателя 1 на высоте 10 мм от мишени

Из рис. 3 можно заключить, что на типичном расстоянии от мишени, равном 10 мм, при увеличении частоты

колебаний катода-мишени совместно с держателем с 5 до 10 Гц максимальное значение составляющей В2

уменьшается на 0,048 Тл, или на 49,0 %. Фиксируя В2 = 0,04 Тл, можно заключить, что при f = 10 Гц, приемлемая скорость распыления будет достигаться в координатах: -0,01.0,01 м, или же в пределах 40 % межполюсного расстояния, а при f = 5 Гц, в координатах: -0,019.0,019 м, или же в пределах 76,0 % межполюсного расстоя-

ния. Однако при f = 10 Гц, относительное уменьшение В2 в этих координатах составляет всего лишь 20,0 %, а

при f = 5 Гц ,- 59,2 %.

Б.

Итак, при f = 10 Гц, составляющая Bz , определяющая степень ионизации межэлектродного промежутка

МРС и, следовательно, скорость распыления, меняется менее резко (абсолютное изменение dBzjdz

уменьшается), коэффициент использования материала мишени увеличивается, прожигание мишени наступает позже, чем при f = 5 Гц.

Обоснование экспериментального метода определения магнитных полей в ПНМРС, технические и приборные средства исследования магнитных полей статической МРС и ПНМРС. Экспериментальное определение индукции магнитного поля В возможно методом прямого измерения. Первоначально целесообразно провести исследование картины магнитного поля для обычной планарной статической (неперенастраиваемой) МРС в центральной и периферийной зонах отдельно по каждой составляющей Вх, Ву и Bz в зависимости от координат. В общем случае: Вх, Ву, Bz=f(x, у, z). В реальной задаче количество составляющих и переменных, конечно же, сокращается. Далее исследуется картина распределения составляющих магнитного поля ПНМРС с последующим сравнением и анализом.

Для проведения эксперимента с ПНМРС использовался специально изготовленный водоохлаждаемый цилиндрический магнетрон с внутренним распылением на электромагнитах. Его конструкция аналогична магнетрону из [3]. В отличие от последнего, движущимся элементом ПНМРС являлся сам цилиндрический катод-мишень, установленный на подшипниках скольжения внутри водоохлаждаемого держателя. Магнетрон устанавливался на металлическом основании соосно с приводом - электродинамическим вибратором. При проведении эксперимента, в частности, была получена зависимость В^^) для х=0,017 (высота 10 мм над мишенью - типичная для определения поля в МРС), приведенная на рис. 5. Она позволяет сделать вывод о наличии зоны эффективного распыления (Bz > 0,1 Тл) в координатах z = -0,017 ... 0,01 (54 % межполюсного расстояния). Кривая типична для всех типов МРС, смещение максимума Bz относительно центра межполюсного расстояния составляет 10 %.

Сравнительный анализ экспериментальных и теоретических данных по определению магнитных полей ПНМРС. Для этого на рис. 4, 5 построены совместно экспериментальные (обозначены точками) и теоретические (взятые из рис. 2, 3) зависимости В^ф, определенные в ПНМРС для одних и тех же значений f и х.

Разница максимальных значений Bz составляет 13 % (рис. 4). Максимальное отклонение экспериментального значения от теоретического - 21 %. Зона достаточной скорости эрозии мишени (Bz > 0,1 Тл) составляет 56 % для теоретической функции и 54 % для экспериментальной.

f=0

x=0,017

-0,025 -0,02 -0,015 -0,01 -0,005

0,005 0,01

Рис. 4. Экспериментальная ( —о— ) и теоретическая ( —

для одних и тех же значений f и х

0,015 0,02 0,025 ) зависимости Bz=f(z)

0

0,06

0,05

0,04

0,03

0,02

0,01

Bz,

Тл

1 1

f=10 Гц x=0,017

z, м

-0,025 -0,02 -0,015 -0,01 -0,005 0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025

Рис. 5. Экспериментальная ( —о— ) и теоретическая (- ) зависимости Bz=f(z)

для одних и тех же значений f и х

Анализируя кривые, представленные на рис. 4, можно заключить, что разница максимальных значений теоретической и экспериментальной кривых составляет 10 %, максимальное отклонение значений индукции равно 17 % при z = -0,075. Максимум экспериментальной кривой смещен влево относительно оси воздушного зазора на 20 %.

Сравнительный анализ экспериментальных и теоретических данных по определению магнитных полей ПНМРС для различных значений f и х. Кривые эксперимента и теории коррелируют между собой. Для дальнейших выводов необходимо отдельно проанализировать теоретические и экспериментальные кривые Bz=f(z) для разных значений f или х.

Проанализируем кривые рис. 4 и 5, то есть посмотрим, как меняется Bz=f(z) при х = =0,017 = const (на типичной высоте 10 мм над мишенью) при f = var. При переходе от f = 0 (рис. 4) к f = 10 Гц (рис. 5) максимальное значение экспериментальной зависимости уменьшилось на 57 %, а теоретической - на 66 %.

Заключение. Максимальное относительное отклонение между теоретическими и экспериментальными результатами составляет 16 % при х = 0,009, и 10 % при х = 0,017. То есть можно сделать вывод о достаточной корреляции экспериментальных и теоретических результатов и в дальнейшем не оговаривать метод получения результатов.

Таким образом, переходя от статического (f = 0) к динамическому режиму работы (f = =5...10 Гц), ПНМРС удается изменить (уменьшить) значение составляющей магнитного поля Bz, параллельной поверхности катода-мишени. Уменьшение максимального значения этой составляющей: 30 или 46 % в зависимости от метода ее определения при f = 5 Гц, и 66, или 68 % при f = 10 Гц, в обоих случаях на расстоянии 2 мм от мишени. На расстоянии 10 мм от мишени уменьшение максимального значения этой составляющей равнялось 23 и 34 % при f = 5 Гц, и 57 и 66 % при f = 10 Гц.

Статья поступила 6.03.2014 г.

Библиографический список

1. Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. М.: Радиосвязь, 1982. 72 с.

2. Дьяконов А.Г. Магнитные поля в перенастраиваемой магнетронной распылительной системе // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2013. № 8. С. 185-190.

3. Цилиндрическая магнетронная распылительная система. Патент РФ № 2174160 / Дьяконов А.Г., Сорокин Д.Г. Опубл. в БИ. 2001. № 27.

4. Спиваков Д.Д., Парфененок М.А., Телегин А.П. Оборудование для нанесения покрытий реактивным магнетронным распылением в режиме двойного незатухающего разряда // Вакуумная техника и технология. 2002. Т. 12. № 3. С. 145-149.